在水电调控河流中扩展基于个体的鲑鱼种群模型：关键进展与挑战

《River Research and Applications》：Scaling Up Individual-Based Models for Salmonid Populations in Hydropower-Regulated Rivers: Key Advances and Challenges

本研究应用inSALMO 7.3-SD个体模型，分析瑞典Gullsp?ng河三个关键产卵区不同最小流量情景对鲑鱼和鳟鱼洄游产量的影响。结果表明，流量变化对物种、年龄和河段响应存在显著差异：鲑鱼幼鱼数量在部分场景下随流量增加而提升，而鳟鱼数量普遍减少；模型验证显示其在多尺度河流系统中的预测能力，但需结合生态理论与计算资源优化。

　　随着全球对减少碳排放和实现可持续发展的重视，转型为一个无化石燃料的社会成为各国的重要目标。这一转型过程需要创新性的解决方案来维持生物多样性，同时确保可再生能源如水力发电的持续生产。在这一背景下，研究水力发电对河流生态系统的影响，尤其是对鲑科鱼类（如大西洋鲑和褐鳟）的影响，变得尤为重要。水力发电设施的运行，特别是通过“水头峰”现象，会导致河流流速的剧烈波动，对水生生物的生存、繁殖和迁徙造成威胁。因此，探索如何在保持水力发电效率的同时，保护这些关键物种，成为环境管理和政策制定中的一个核心议题。

为了应对这一挑战，科学家们开发了个体模型（Individual-Based Models, IBMs），作为评估复杂生态问题的有效工具。IBMs通过模拟个体行为和生态互动，能够更细致地分析环境变化对种群动态的影响。在水力发电调控的河流系统中，这些模型尤其有用，因为它们可以预测不同管理策略下鱼类种群的长期趋势。尽管IBMs在局部和中等规模的应用已有广泛实践，但将其扩展到大范围和长时间跨度仍面临重大挑战，包括生态理论的发展、计算资源的需求以及模型验证的复杂性。

本研究聚焦于瑞典的Gullsp?ng河，这是重要的水力发电河段，也是大西洋鲑和褐鳟的高保护价值栖息地。该河流的某些部分因水坝的建设和运行，导致其自然栖息地严重缩减，仅剩下约5公里的河段，包括三个关键的繁殖和生长区域：Gullsp?ngsforsen（GF）、Lilla ?r?sforsen（L?）和Stora ?r?sforsen（S?）。研究利用了inSALMO 7.3-SD模型，这是一种专门用于模拟淡水阶段鲑科鱼类种群动态的IBM，能够分析不同流速条件下的出迁效果。inSALMO模型结合了生态进化理论，考虑了鱼类的能量摄入、捕食风险以及个体行为决策，以评估流速变化对种群的影响。

研究结果显示，流速变化对不同鱼类种类和年龄组的出迁数量产生了显著影响。在GF区域，流速变化对大西洋鲑和褐鳟的出迁数量影响较小，只有在特定条件下才会出现显著变化。而在L?和S?区域，流速变化对出迁数量的影响更为明显，尤其是在增加最小流速的情况下，大西洋鲑和褐鳟的出迁数量普遍下降。对于年龄1的大西洋鲑，最小流速的增加似乎对它们的出迁数量影响不大，但对年龄2的大西洋鲑则有负面效应。此外，增加的流速在某些情况下反而提高了年龄2的褐鳟的出迁数量，这表明流速变化对不同鱼类的生态影响存在显著的差异性。

在分析模型结果时，研究发现流速变化对不同鱼类的大小也有影响。在GF区域，增加的流速对年龄1的褐鳟的大小有正面影响，而在L?和S?区域，年龄2的褐鳟和大西洋鲑的大小在流速增加时有所增长。然而，年龄1的大西洋鲑在流速增加时似乎没有明显的大小变化。这些结果表明，流速变化对鱼类的生长和出迁效果是复杂的，受到鱼类种类、年龄、河流特性以及流速变化的时间等因素的影响。

研究还探讨了流速变化对鱼类栖息地质量的影响。在GF区域，增加的流速减少了高能量摄入和低捕食风险的栖息地面积，而在L?和S?区域，这种影响则因流速变化而有所不同。对于较大的幼鱼，增加的流速提供了更多的觅食和避难区域，而对较小的幼鱼则有负面影响。这些发现揭示了流速变化对不同年龄组和种类的幼鱼生存和成长的复杂影响。

在实际应用中，研究采用了多河段的模拟方法，以更好地反映整个河流系统的生态过程。这种多河段模拟不仅考虑了单个河段的生态变化，还评估了不同河段之间的相互作用。例如，GF区域的流速变化对下游河段的幼鱼出迁数量有显著影响，而L?和S?区域的流速变化则对整个河流系统的幼鱼出迁产生了更广泛的效应。

此外，研究还探讨了流速变化对幼鱼生存率的影响。在GF区域，流速的变化对幼鱼的生存率影响不大，但在L?和S?区域，流速的变化对幼鱼的生存率有显著影响。这表明，在水力发电调控的河流系统中，流速的变化对幼鱼的生存和出迁具有重要的生态意义。

在模型校准方面，研究使用了实际的观测数据，包括幼鱼的长度、出迁数量和繁殖地点，以确保模型的准确性和可靠性。通过比较模型预测值与实际观测数据，研究验证了模型在不同流速条件下的表现。例如，在GF区域，模型预测的年龄0和年龄1鲑科鱼类的平均长度与实际观测值较为一致，但在某些情况下，模型低估了年龄0大西洋鲑的长度，而高估了年龄1大西洋鲑的长度。

研究还分析了不同流速条件下的幼鱼出迁数量和大小。结果显示，流速变化对不同种类和年龄组的幼鱼出迁数量和大小的影响存在显著差异。在GF区域，流速的变化对幼鱼的出迁数量影响较小，而在L?和S?区域，流速的变化对出迁数量有明显的影响。对于年龄1的幼鱼，流速的增加通常导致出迁数量的减少，而对于年龄2的幼鱼，流速的变化则因河段的不同而有所差异。

此外，研究还探讨了流速变化对幼鱼生存和成长的影响。在GF区域，流速的变化对幼鱼的生存和成长影响较小，但在L?和S?区域，流速的变化对幼鱼的生存和成长有显著影响。这表明，流速的变化对幼鱼的生存和成长具有重要的生态意义。

研究的结论表明，流速变化对不同种类和年龄组的幼鱼出迁数量和大小的影响是复杂的，且受到多种因素的影响。因此，未来的生态模型需要更加细致地考虑这些因素，以提供更准确的预测。同时，研究也强调了通过多河段模拟和个体模型，可以更好地评估水力发电对鲑科鱼类种群的影响，并为制定有效的保护策略提供科学依据。